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北科大羅海文課題組：力學性能和抗氧化性均優異的新型三相輕質熱成型鋼

2025-01-07 11:04:16 作者：羅海文來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：丁燦燦

通訊作者：羅海文/胡斌

通訊單位：北京科技大學

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.020

01全文速覽

為了解決常規熱成型鋼塑性差和抗氧化弱的長期問題，本文設計并制備了一種同時具有優越塑性和極好抗氧化性的新型三相輕質高強熱成型鋼。

02研究背景

22MnB5熱成型鋼是汽車輕量化主要選用材料，常被廣泛用于制造汽車的防侵入部件，包括A/B柱加固件、保險杠和門梁、前后軌道等。雖然其擁有極高的強度（1500MPa），但其延展性相對較低（7.0%），碰撞性差。此外，22MnB5鋼的抗氧化性極差，為抑制鋼板表面氧化，需在熱成形加熱時涂鍍Al-Si鍍層保護，但隨之帶來大量Al消耗和高昂專利費，導致制造成本急劇增加。針對以上兩點問題，本論文設計了一種具有優越的力學性能和良好抗氧化組合的低密度三相熱成型鋼，澄清了新型熱成型鋼的強塑化機制和抗氧化機理，該熱成型鋼是一種具有特殊競爭力的新替代產品。

03本文亮點

（1）提出了一種新型的Si-Al合金化熱成型鋼，其組織不同于傳統的馬氏體或馬氏體+奧氏體雙相設計，而是鐵素體（α）-奧氏體（g）-馬氏體（α¢）三相組織，其中鐵素體和奧氏體提供塑性，而馬氏體保證強度。

（2）新開發的熱成型鋼具有優越的強度-塑性（1620MPa和14%）、良好的抗氧化性（0.7μm厚氧化層）和較低的密度（7.55 g/cm³）組合，三者都顯著優于22MnB5熱成型鋼。

04圖文解析

圖1 不同熱成形工藝和烘烤工藝形成的顯微組織。（a-c）SEM圖像；（d-f）質量圖與相圖疊加的EBSD圖像，BCC為紅色，FCC為綠色。（a, d）H790-170，（b, e）H820-170，（c、f）H850-170。通過EBSD技術表征的新開發三相熱成型鋼的組織形貌，它們由馬氏體（α¢）為基體、等軸鐵素體晶粒（α）、殘留奧氏體晶粒（g）組成，g晶粒通常位于α/α¢的界面附近馬氏體中。

圖2 （a）不同熱成形工藝和烘烤工藝下開發鋼的拉伸曲線與22MnB5鋼拉伸曲線對比；（b）極限抗拉強度（UTS）、屈服強度（YS）和總伸長率（TE）與均熱溫度的關系；（c）不同熱成形工藝和烘烤工藝樣品的殘奧分數與應變的關系；（d）烘烤和未烘烤樣品殘奧的C含量隨均熱溫度的變化。

圖3 H820（未烘烤）和H820-170（烘烤）試樣拉伸斷口的SEM圖像。烘烤前H820試樣和烘烤后H820-170試樣的斷口附近裂紋擴展方式，前者沿晶脆性斷裂，后者穿晶韌性斷裂。

圖4 （a）HSiAl、22MnB5和其他熱成型鋼經過相同熱成形工藝形成的氧化層厚度的比較；（b）與22MnB5、其他Si-Cr和Cr-Al合金熱成型鋼的強塑積-氧化層厚度比較。

05總結與展望

本文研究是利用Si-Al合金化重新設計了傳統熱成型鋼，旨在提高拉伸性能和高溫抗氧化性的同時降低密度。主要得出以下結論：

（1）本發明的Si-Al合金化三相熱成型鋼，其密度比22MnB5低3%，同時具有優越的強塑性和優異的抗氧化性。在820℃熱成形條件下制備得到組織為馬氏體基體+35%鐵素體+9%殘留奧氏體的三相熱成型鋼。該熱成型鋼烘烤后的強塑積高達23GPa·%，且表面僅有略微氧化，力學性能和抗氧化性能均明顯優于22MnB5和其他抗氧化熱成型鋼。

（2）新開發三相熱成型鋼經烘烤后，馬氏體中過飽和C原子析出或配分到鐵素體和殘奧中并偏析至幾何必須位錯（GNDs）上。導致鐵素體硬化和馬氏體軟化，兩相的硬度差減小，應變配分改善。此外，C偏析至γ/α¢界面附近γ晶粒的GNDs上，導致其力學穩定性增強，使TRIP效應延遲到更高應變，從而改善了加工硬化能力，延緩了頸縮。這兩者都有助于提高熱成型鋼的塑性。

（3）本發明的Si-Al合金鋼在熱成形過程中表現出更優異的抗氧化性，即氧化層比22MnB5和其他Cr-Al或Si-Cr合金的熱成型鋼薄得多，因為Al和Si可以比Cr更快的被氧化，提前形成致密的Al₂O₃和SiO₂層，為早期保護提供了保障。

06課題組介紹

北京科技大學冶金學院羅海文教授，系國家高層次人才，在國內外高校科研院所從事先進鋼鐵材料品種開發逾20年，主要研究先進鋼鐵材料的設計與冶金制備工藝，以成分-工藝-組織-性能為主要研究內容。主持國家自然科學基金冶金和材料學科的重點項目和國際合作項目，在包括Science、Acta Materialia、JMST、Scripta Materialia以及科學通報、金屬學報等國內外頂級金屬材料期刊上發表數十篇高水平論文，是全球最早從事熱點領域-高性能中錳鋼的研發人員之一。

07引用本文

Cancan Ding, Haifeng Zhao, Bin Hu, Dechao Xu, Ru Ge, Chengyuan Deng, Zedong Xie, Hua Chen, Haiwen Luo, A novel tri-phase lightweight press-hardening steel exhibiting both excellent mechanical properties and outstanding oxidization resistance, J. Mater. Sci. Technol. 196 (2024) 171-182.